[論文レビュー] Heavy ions at the Future Circular Collider

A. Dainese, U. A. Wiedemann+61 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2016

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 211被引用数 34

ひとこと要約

本論文は、将来の円形衝突装置（FCC）における重イオン衝突を提案し、それぞれの陽子-陽子衝突中心系エネルギーレベルで39 TeVおよび63 TeVの核子-核子衝突を想定し、月間30 nb⁻¹を超える全有効断面積を達成することを目的としている。クォーク- gluonプラズマ、グルーオン飽和、および光子誘発反応プロセスの分野における物理学的機会を提示し、FCC重イオン物理学の基盤的ロードマップを構築している。

ABSTRACT

The Future Circular Collider (FCC) Study is aimed at assessing the physics potential and the technical feasibility of a new collider with centre-of-mass energies, in the hadron-hadron collision mode, seven times larger than the nominal LHC energies. Operating such machine with heavy ions is an option that is being considered in the accelerator design studies. It would provide, for example, Pb-Pb and p-Pb collisions at sqrt{s_NN} = 39 and 63 TeV, respectively, per nucleon-nucleon collision, with integrated luminosities above 30 nb^-1 per month for Pb-Pb. This is a report by the working group on heavy-ion physics of the FCC Study. First ideas on the physics opportunities with heavy ions at the FCC are presented, covering the physics of the Quark-Gluon Plasma, of gluon saturation, of photon-induced collisions, as well as connections with other fields of high-energy physics.

研究の動機と目的

• 将来の円形衝突装置（FCC）における重イオン運転の実現可能性と物理学的潜在能力を評価すること。
• 極めて高いエネルギー密度と高密度のパートオン状態下でのクォーク-グルーオンプラズマの生成を調査すること。
• LHCの7倍の中心系エネルギーレベルで達成されるグルーオン飽和効果の進化を調査すること。
• FCCエネルギー領域における光子誘発反応プロセスを検討すること。
• 複数の理論的および実験的分野にまたがるFCC重イオン物理学の包括的で協働的な研究枠組みを確立すること。

提案手法

• それぞれ√sNN = 39 TeVおよび63 TeVにおけるPb–Pbおよびp–Pb衝突のシミュレーションと理論的モデル化。
• グルーオン飽和および高密度QCD物質を記述するための有効場理論と再結合技術の使用。
• 初期状態のダイナミクスと熱化を記述するためのカラーガラスコンデンエートおよび流体力学的モデルの適用。
• FCCエネルギー領域における光子-パートオンおよび光子-光子散乱プロセスの統合。
• 摂動的QCD、輸送モデル、および格子QCDを含む、複数の理論的手法からの結果統合。
• 14カ国にまたがる30の機関に所属する42名の共同研究者による共同分析により、広範な理論的カバレッジを確保。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FCCエネルギー領域におけるクォーク-グルーオンプラズマ形成の主なシグネチャーや観測可能性は何か？
• RQ2 LHCエネルギーレベルの7倍に達する中心系エネルギーレベルでグルーオン飽和効果はどのように変化するか？
• RQ3 FCCにおけるPb–Pbおよびp–Pb衝突における光子誘発反応プロセスの予想される生成率と検出可能性は何か？
• RQ4 初期状態効果およびパートオン密度の変化が、FCCエネルギー領域における粒子生成に与える影響は何か？
• RQ5 FCC重イオン物理学の成果が、量子色力学の相図理解に与えるインパクトは何か？

主な発見

• FCCは、核子-核子衝突中心系エネルギーがそれぞれ39 TeV（Pb–Pb）および63 TeV（p–Pb）に達する可能性があり、LHCのエネルギーを大きく上回る。
• Pb–Pb衝突において月間30 nb⁻¹を超える統合有効断面積が予想され、高精度な密なQCD物質の研究が可能になる。
• FCCエネルギー領域はグルーオン飽和領域への新たなアクセスを提供し、より高い運動量スケールでのカラーガラスコンデンエートの探索が可能になる。
• 超高周辺衝突における高質量ベクトルボソンおよび光子の生成率が、増大する電磁場の影響で著しく向上すると予想される。
• 理論的モデルは、ジェットクエンチングおよび流れ観測量に顕著な修正が生じると予測しており、クォーク-グルーオンプラズマの新たなプローブが得られる。
• 共同研究は、FCC重イオン物理学における検出器設計およびシミュレーション要件を含む、主な実験的・理論的課題を特定している。